introduzione e motivazioni

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1 introduzione e motivazioni Qualità dell aria in ambienti indoor: caratterizzazione delle polveri fini in alcune aule della Facoltà di Ingegneria dell Università di Perugia David Cappelletti Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale Universita di Perugia Gli esseri umani nei paesi occidentali passano circa il 70-80% del proprio tempo in ambienti confinati (Tsang & Klepper 1996) Nonostante i molti studi in ambienti lavorativi ad alto rischio potenziale (industriale,..) solo recentemente la attenzione è rivolta ad ambienti pubblici e privati (abitazioni, scuole, musei, ) Difficoltà di campionamento (i.e. personali vs fissi, Wallace,2000) Esistono fonti tipicamente indoor (cucine, impianti di areazione, solventi, fumo di sigaretta, ) Modalità di accumulo degli inquinanti negli ambienti confinati Lo scambio outdoor-indoor in molti casi è determinante: per concentrazioni outdoor < 40 μg m -3 le concentrazioni indoor sono più alte (Wigzell et al. 2000) obiettivi la distribuzione dimensionale: PM 10?? Valutare le concentrazioni di PM 10, PM 2.5 e PM 1 negli ambienti di studio della Facoltà di Ingegneria Caratterizzare numero, massa e dinamiche di mescolamento delle particelle Determinare la composizione chimica in funzione delle dimensioni delle particelle Trovare possibili relazioni fra caratteristiche outdoor ed indoor 100% nucleazione omogenea crescita per condensazione crescita per coagulazione PM 1 PM 2.5 generazione meccanica PM diametro (micrometri) nuclei transienti accumulazione particelle ultrafini particelle fini particelle grossolane K.T. Whitby 1978

2 distribuzione dimensionale: numero e/o massa? numero di particelle distribuzione di numero polveri ultrafini numero elevato massa trascurabile massa distribuzione di area 10 4 particelle/cm 3 prassi: metodologie sperimentali / 1 CAMPIONAMENTO POLVERI: Campionatore a singolo stadio TECORA EchoPM (38,3 Lmin -1 ): PM 10, PM 2.5 PM 1 Campagna di campionamento: Ottobre oggi (OUTDOOR E INDOOR) (circa 150 campioni) Filtri: teflon, fibra di quarzo, policarbonato distribuzione di volume (massa) massa/numero TRATTAMENTO DEI CAMPIONI: Estrazione frazione solubile: 1h sonicazione in acqua UP(18 M ) Estrazione frazione organica: forno MW (CEM Mars) in cicloesano Estrazione metalli: mineralizzazione in forno MW (CEM Mars) in HNO 3, H 2 O 2 polveri grossolane numero trascurabile massa elevata metodologie sperimentali / 2 DETERMINAZIONE FRAZIONE IONICA SOLUBILE Cromatografia ionica, spettrs.ass. UV-VIS ingegneria@unipg colline Ingegneria DETERMINAZIONE FRAZIONE ORGANICA: Cromatografia, GC-MS DETERMINAZIONE COMPOSIZIONE ELEMENTARE: Spettrs. Emissione atomica, ICP-AES (nebulizz: pneumatico e/o ultrasonico) colline Pza. Bacio DISTRIBUZIONI DIMENSIONALI OPC (Grimm) colline CARATTERIZZAZIONE MORFOCHIMICA/SINGOLA PARTICELLA Microscopia elettronica: SEM-EDX Parco Cortonese

3 concentrazione polveri outdoor (2007) confronto valori annuali, con PG(P.za del Bacio, Cortonese), FI, GE, MI composizione elementare outdoor (PM 10 ) confronto con Parco Cortonese (Ott 2006) Elemento PM10 PM2.5 PM1 unipg 27,7 ± 3 17,3 ± 3 15,3 ± 3 Cortonese 23 P.za del Bacio 69 18,4 FI* 22(i)-12(e) GE* 11(i)-16(e) MI* 45(i)-19(e) Siti di fondo urbano (e) estate (i) inverno Elemento unipg Cortonese P.za Bacio [ng/mc] [ng/mc] [ng/mc] Ca 1940 (500) 1650 (700) 2940 (830) Cr 2,7 4,8 (0,3) 11,5 (3,0) Mn 8,6 6,9 (2,9) 16,7 (3,4) Fe (102) 920 (230) Ni 3,1 <LOD 11,6 (3,0) Zn 21,3 (3) <LOD 9,1 (7,5) Al (18) 460 (130) Pb 2,6 2,5 (1,7) 11,6 (4,4) composizione elementare outdoor (PM 2.5 ) confronto con Pza. Del Bacio ( ) Elemento unipg P.za Bacio [ng/mc] [ng/mc] Na (256) K (72) Mg 31,9 64 (20) Ca (790) Cr 1,0 7,0 (1,8) Mn 3,2 6,0 (0,7) Fe (29) Ni 1,9 13,4 (4) Zn 19,3 9,8 (7) Al (140) Pb 1,0 6,9 (3) composizione elementare outdoor (PM 1 ) Elemento PM1 PM PM [ng/mc] [ng/mc] Na K 493 (2,8%) Mg 9,5 22,4 78 Ca Mn 1,8 1,4 5,4 Fe Ni 1,9 <LOD 1,2 Zn 12 7,5 2,0 Al Pb 1,0 < LOD 1,6

4 campionamenti ing.unipg concentrazione polveri indoor (2007) confronto con valori outdoor (trend stagionale) Secondo piano Studi Studi Elemento PM10 PM2.5 PM1 OUTDOOR 27,7 ± 3 17,3 ± 3 15,3 ± 3 inverno 31,1 27,8 16,9 estate 25,7 14,7 14,2 Primo piano zona di studio scale scale ingresso zona di studio INDOOR 31,1 ± 4 21,5 ± 3 14,3 ± 1,5 Inverno 32,9 26,5 16,3 Estate 27,6 13,3 11,8 ROMA (ufficio) indoor Piano terra outdoor Studi e laboratori 1 Studi e laboratori ingresso sezione della sala di ingesso alla Facoltà ed aule di studio Marconi & coll. (2003) dinamiche di mescolamento dinamiche di mescolamento Secondo piano Studi 3 Studi II piano PM 10 II piano PM 2.5 PM 1 II piano I piano I piano I piano Primo piano scale scale ingresso piano terra piano terra piano terra zona di studio 2a 2b zona di studio feriale Piano terra festivo Studi e laboratori 1 Studi e laboratori ingresso

5 dinamiche di mescolamento conta del numero delle particelle: OPC festivo laser rivelatore campione di aria trappola per la luce < 1 μm - PM μm - PM > 2.5 μ m - PM ,25 m - 7,5 m angolo di diffusione angolo di apertura specchio INDOOR OUTDOOR andamento giornaliero medio indoor andamento giornaliero medio outdoor FERIALE FESTIVO FERIALE FESTIVO particelle / L particelle / L particelle / L particelle / L orario orario orario orario

6 distribuzioni di volume (confronto con dati outdoor - effetto pioggia) validazione OPC/ECHO-PM INDOOR OUTDOOR (piovoso) strumento PM 1 PM 2.5 PM 10 [ g/mc] [ g/mc] [ g/mc] ECHO-PM 13,3 ± 3 20,7 28,3 OPC 18,4 ± 2 20,2 28,0 PM 10 =38 μg/mc PM 10 =16 μg/mc composizione elementare indoor (confronto con dati outdoor) frazione ionica solubile (confronto indoor-outdoor) Elemento PM1 PM1-2.5 PM [ng/mc] [ng/mc] Na 140 (56) 45 (84) 26 (175) K 297 (493) 43 (42) 26 (71) Mg 11 (9,5) 21 (22) 45 (78) Ca 120 (420) 255 (120) 1035(1400) Mn 1,8 0,9 (1,4) 2,9 (5,4) Fe 39 (41) 52 (69) 97 (290) Ni 2,3 (1,9) < LOD (< LOD) < LOD (1,2) Zn 76 (12) < LOD (7,5) < LOD (2,0) Al 59 (13) 46 (41) 131 (320) Pb 1,9 (1,0) 2,5 (< LOD) < LOD (1,6) fluoruri cloruri nitrati solfati t PM 1 PM 2.5 PM 10 indoor outdoor PM 1

7 frazione ionica solubile (confronto indoor-outdoor) metalli biodisponibili (confronto con dati outdoor 2005) indoor PM 2.5 outdoor Elemento UNIPG 2007 fontivegge 2005 (indoor) Na 100 % 50 % K 95 % 70% Mg 55 % 20 % t Ca 75 % 90 % Zn 30 % 33 % Pb 33 % 40 % indoor PM 10 outdoor analisi di singola particella: SEM-EDX Campionamenti diretto su filtri in PC Verifica della prestazione del filtro in funzione della porosità (0,4-2 μm) Campioni ben classati alla ricerca del cloro (e del sodio) PM 10 outdoor PM 10 indoor PM 2.5 indoor Na Cl

8 analisi di singola particella: SEM-EDX analisi di singola particella: SEM-EDX Al PM 10 outdoor Na S K Ca Si Cl Cu PM 10 outdoor Si Ca Ti frazione organica Diesel truck Simoneit (1986) resto 72.2% ALIFATICA antropogenici UCM (traffico) biogenici Vascular plant wax Simoneit (1986) standard interno recupero ~ 70-80% parametri diagnostici per fonti idrocarburi Carbon preference index (CPI) (Bray et al., 1961) CPI 1 = (C )/ (C ) CPI 2 = (C )/ (C ) CPI 3 = 0.5*[( C / C ) + ( C / C )] Concentrazione del contributo vegetale (Simoneit et al., 1990) *Wax C n =C n [C n+1 + C n-1 ]/2 (C 25,C 27,C 29,C 31 ) Input petrogenici, traffico veicolare (Gogou & Stefanou, 2000) PM 2.5 outdoor UCM 19.7% IPA 0.044% n-alcani 8.07% AROMATICA (IPA) frazione non risolta = UCM n alcani NA

9 parametri diagnostici per fonti idrocarburi C max PM 1 (in) PM 1 (out) PM 2.5 (in) PM 2.5 (out) PM 10 (in) PM 10 (out) C31 C31 C31 C31 C27 C22 NA (ng/mc) ,4 78,6 CPI 1 1,67 1,49 1,62 1,75 1,12 0,93 CPI 2 1,87 1,65 1,76 2,01 1,41 0,851 CPI 3 2,13 1,96 2,08 2,40 2,01 1,20 %Wax 20,9 18,6 21,1 25,8 12,1 3,2 UCM (ng/mc) UCM/NA 1,64 2,37 1,84 2,44 7,2 10,7 %C n su alcani totali e % biogenico biogenici C31 C29 C27 inizio ottobre dicembre C max = 31 (piante), 29 (Milano area urbana, 2004), 22 (tunnel, inverno 2001) CPI 1 = 1,3±0,1 Milano area urbana (parfil, 2004) CPI 3 = 1 (traffico) 1-3 (mista) 3-7 (rurale) % wax= 12 ±2 (Milane area urbana, 2004), 4 ±1 (tunnel, inverno 2001) UCM/NA= 3,4±0,8 edifici pubblici Grecia, fumatori (Stephanou, 2002) parametri diagnostici per fonti IPA parametri diagnostici per fonti IPA CPAHs/TPAHs = 0,21 fumo di sigaretta = 0,30 camion pesante diesel = 0,40 veicolo non catalizato < 1 sorgenti mobili > 1 sorgenti stazionarie C (ng/mc) PM 1 (in) 3,95 PM 1 (out) 5,21 PM 2.5 (in) 2,70 PM 2.5 (out) 5,21 PM 10 (in) 21,5 PM 10 (out) 28,7 = 0,51 veicolo catalizzato % 0,042 0,034 0,012 0,044 0,059 0,10 Fl/(Fl+Py) BeP/(BeP+BaP) IP/(IP+BgP) Fl=fluorantene Py=Pirene BaA=Benzo(a)antracene BeP=Benzo(e)pirene BaP=Benzo(a)pirene CPAH/TPAH Bep/(Bep+Bap) IP/(IP+BgP) Fl/(Fl+Py) 0,77 0,58 0,99 0,45 0,69 0,76 0,47 0,76 0,93 0,32 0,48 0,43 inizio ottobre 0,69 0,36 0,40 0,46 0,77 0,79 0,51 0,50 0,50 0,50 0,59 0,45 dicembre (Grimmer et al. 1983; Sicre et at 1989; Rogge et al. 1994, Kavouras et al. 2001, Fang et al. 2004,..) CPAH/TPAH=0,80 fonte: combustione (città di Prato) (A. Cincinelli et al, 2007) Bep/(Bep+Bap)= 0,53±0,05 fonte: emis. veicolari (Sicre at al., 1989) IP/(IP+BgP)=0,18 ±0,03 fonte: emis. veicolari Fl/(Fl+Py)=0,43 ± 0,08 fonte: emis. veicolari Fl/(Fl+Py)=0,48 fonte: fumo di sigaretta (Rogge et al. 1994)

10 abbondanza IPA nel PM 1 e PM 2.5 Correlazione indoor/outdoor abbondanza IPA nel PM 10 Correlazione indoor/outdoor Bap Bap FERIALE FESTIVO chiusura in massa sviluppi futuri 1. Caratterizzazione della fase gassosa (indoor vs outdoor) 2. Approfondire analisi frazione organica: OC, EC, IC? 2. Quantificare indagine SEM / TEM 3. Indagare più in dettaglio la relazione composizione chimica / distribuzione dimensionale PM 1 PM 2.5

11 ringraziamenti Francesco Scardazza, Fabio Marmottini - trattamento campioni, ICP-AES, UV-VIS, CI Luca Barcherini - analisi dati Gaia Gifuni, Silvia Castellini, Vania Zillante - campionamenti e analisi dati (Dip.Ingegneria Civile ed Ambientale) Beatrice Moroni (Dip. Scienze della Terra) - SEM concentrazione polveri indoor (inverno 06-07) Andamento feriale/festivo (confronto con valori outdoor) FERIALE Bartolomeo Sebastiani (Dip. Specialità Medico-Chirurgiche e Sanità Pubblica) - GC-MS Laura Mascelloni (ARPA Umbria) - OPC FES FES FES FINANZIAMENTI: FIRB, PRIN PM1 PM2.5 PM10